Credito:Unsplash/CC0 di dominio pubblico
Come fa un naso a ricordare che è un naso? O un occhio ricorda che è un occhio?
Mentre gli scienziati sondano la domanda su come le cellule ricordano che tipo di cellule dovrebbero essere, o il loro lignaggio genetico, è importante capire come le cellule esprimono geni diversi senza modificare la sequenza del DNA stesso.
Ma studiare questo argomento è difficile:i ricercatori possono purificare le proteine che guidano l'espressione genetica, metterle in una provetta e osservarle legarsi. Ma farlo all'interno del nucleo delle cellule, il loro ambiente nativo, è stato finora impossibile.
Ora, un team di ricercatori di tre laboratori dell'Università del Michigan è stato in grado di tracciare come una proteina si lega al suo substrato di cromatina all'interno di una cellula vivente stabilendo una collaborazione che combina imaging ad altissima risoluzione e proteine sintetiche all'avanguardia progettazione e modellazione computazionale. I loro risultati sono pubblicati in Science Advances .
"La domanda biologica che ci stiamo ponendo è:'In che modo le cellule ricordano effettivamente le esperienze passate? E in che modo queste esperienze portano anche le cellule a stabilire identità distinte, come accade nel caso del corpo umano in cui si hanno lignaggi di cellule che formano neuroni, cellule del sangue o cellule cerebrali, e tutti mantengono effettivamente la loro identità per molte generazioni'", ha affermato l'autore principale Kaushik Ragunathan, assistente professore di chimica biologica presso la UM Medical School.
"Un esempio a cui mi piace pensare è che se ti tagli il naso, non ti cresce una mano, anche se il genoma nel naso e il genoma nella mano sono esattamente gli stessi".
Le cellule controllano come e quali geni vengono espressi da una copia della sequenza di DNA contenuta all'interno di ciascuna cellula, nonostante quella sequenza sia la stessa in tutte le cellule del corpo. Un modo in cui controllano l'espressione è modificare il modo in cui il DNA è impacchettato all'interno del nucleo utilizzando proteine chiamate "istoni". Gli istoni possono essere modificati mediante l'aggiunta di piccoli tag chimici che regolano quanto strettamente il DNA è avvolto attorno ad essi e quindi se i geni possono essere espressi.
Le proteine che hanno la capacità di leggere, scrivere e cancellare questi tag dell'istone esplorano il DNA all'interno del nucleo della cellula molto rapidamente, nell'ordine di millisecondi, secondo Ragunathan. In definitiva, tutte queste informazioni epigenetiche devono essere ereditate attraverso le generazioni, ma il riconoscimento di questi tag è un processo complicato che coinvolge il legame della cromatina e le proteine che si incontrano e interagiscono tra loro nel caos di tutte le altre possibili interazioni in competizione all'interno della cellula.
Essere in grado di comprendere ogni fase del processo, e quindi consentire il controllo di come vengono ereditate le informazioni epigenetiche, ha incuriosito la coautrice Julie Biteen, professoressa di chimica e biofisica.
Biteen utilizza l'imaging a fluorescenza a singola molecola per tracciare le singole proteine all'interno delle cellule. Il suo laboratorio può vedere dove queste proteine sono relative alla cromatina e l'esperienza di Ragunathan è nei meccanismi molecolari alla base del modo in cui interagiscono le modificazioni dell'istone e le proteine che legano l'istone. Questi due mondi dovevano unirsi in modo che la biochimica di ciò che accade in una provetta al di fuori delle cellule potesse essere testata per capire cosa succede al loro interno.
"La tempistica di questo processo è di fondamentale importanza per garantire che i geni giusti siano messi a tacere nel posto giusto e al momento giusto", ha affermato Biteen. "Quello che mi ha affascinato di questo progetto è che in vitro, in una provetta, puoi purificare due proteine, guardarle legarsi e vedere quanto è buono quel legame, o qual è l'affinità reciproca. Questo ti dice cosa può succedere in le cellule, ma non ciò che accade nelle cellule."
Biteen e Ragunathan hanno lavorato con Peter Freddolino, professore associato di chimica biologica, medicina computazionale e bioinformatica presso l'UM Medical School, per combinare la modellazione al computer con i loro risultati sperimentali.
"Questo è davvero il punto in cui la nostra collaborazione diventa davvero potente", ha detto Biteen. "Da un lato, vedere le molecole è molto utile e sapere quanto velocemente si muovono le molecole aiuta molto in termini di comprensione di cosa è possibile fare all'interno della cellula, ma qui potremmo fare un balzo in avanti perturbando il sistema anche in modi innaturali al fine di capire cosa significano effettivamente questi diversi movimenti delle molecole nella cellula."
Sebbene i segni epigenetici siano estremamente importanti per il mantenimento di diversi tessuti in organismi complessi come gli esseri umani, svolgono anche un ruolo importante nella regolazione dei geni di organismi unicellulari come il lievito. Il team si è concentrato su un tipo di proteina HP1 nelle cellule di lievito chiamata Swi6. Questa famiglia di proteine si lega a un tipo specifico di modificazioni dell'istone nella cellula per imporre il silenziamento genico. Integrando etichette fluorescenti con Swi6, il laboratorio di Bitee ha osservato che Swi6 si muoveva all'interno del nucleo della cellula.
Mentre Swi6 cerca il sito di legame corretto sul DNA, si muove rapidamente, ha detto Biteen. Quando trova il suo obiettivo, rallenta notevolmente. Il movimento di una proteina all'interno della cellula è simile agli ingranaggi di un'auto e le cose possono muoversi a velocità diverse in base alla persona con cui interagiscono le proteine.
"Da queste tracce di spaghetti che otteniamo all'interno della cella, scopriamo quanto tempo stanno trascorrendo alla ricerca e quanto tempo stanno trascorrendo legati", ha detto Biteen. "La quantità di tempo che trascorrono senza muoversi ci dice quanto fortemente interagiscono e le loro proprietà biochimiche."
Mentre il laboratorio di Biteen può misurare i movimenti nella cellula su una scala di decine di millisecondi, gran parte della biochimica che accade nella cellula sta accadendo ancora più velocemente, ha detto. Freddolino ha preso queste informazioni sperimentali e ha sviluppato modelli per stimare la capacità delle proteine Swi6 di saltare tra gli stati di legame che sono stati identificati negli esperimenti.
La modellazione di Freddolino ha tenuto conto delle misurazioni sperimentali e delle possibili proprietà biochimiche, che includono il modo in cui le molecole Swi6 interagiscono nella cellula. Queste interazioni includono molecole che galleggiano liberamente nella soluzione della cellula, molecole che si sono legate al DNA e molecole che "si tengono per mano" l'una con l'altra, ha affermato.
"Il mio laboratorio voleva elaborare un modello a grana più fine che stimasse quale fosse l'insieme più probabile di stati molecolari delle proteine e la loro capacità di passare da uno stato all'altro, che avrebbe poi dato origine ai dati di imaging creati dal laboratorio di Biteen ", ha detto Freddolino.
"Avere questo modello numerico ci permette di fare esperimenti computazionali su cosa succede se il legame con le proteine è due volte più veloce di quanto pensiamo. E se fosse 10 volte più veloce di quanto pensiamo? O 10 volte più lento? Questo potrebbe ancora dare origine al dati? Molto felicemente, in questo caso, siamo stati in grado di dimostrare che i processi rilevanti venivano davvero catturati nella microscopia a fluorescenza."
Dopo aver identificato le proprietà leganti dello Swi6 naturale, i ricercatori hanno testato i loro risultati riprogettando Swi6 dai suoi componenti per vedere se potevano replicare alcune delle sue proprietà biochimiche, ha detto Ragunathan. Ciò ha consentito ai ricercatori di determinare che l'imaging e la modellazione condotti nella prima parte del documento riflettono il modo in cui la proteina si legava nel suo ambiente nativo.
"Possiamo fare ciò che la natura ha fatto nel corso di milioni di anni e creare una proteina che per molti versi ha proprietà simili a quelle di Swi6 nelle cellule?" disse Ragunathan. "La biochimica in vivo, che è ciò che abbiamo deciso di chiamare questo, non era qualcosa che si pensava fosse possibile all'interno delle cellule viventi, ma abbiamo dimostrato che ciò è del tutto fattibile usando l'imaging come modalità. Stiamo usando questo progetto come base per capire come questi stati epigenetici possono essere stabiliti e mantenuti attraverso le generazioni". + Esplora ulteriormente
